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MT-071
指南
模拟隔离放大器
模拟隔离技术
在许多应用中，传感器与接收数据的系统之间最好不要有直接的(“电流”)电气连接，这点
有时甚至非常重要。这样可能是为了防止系统一半产生的危险电压或电流给另一半造成损
坏的可能，或者是为了断开难以处理的接地环路。这即是所谓的“隔离”系统，而无电流连
接却允许信号通过的布局则称为隔离栅。
隔离栅的保护是双向的，可能是其中一个方向需要保护，甚至可能两个方向都需要保护。
一种明显的应用是，传感器可能意外遇到高电压，必须对其驱动的系统进行保护。或者，
传感器可能需要与后级产生的意外高电压隔离开来，以保护其工作环境：例如防止传感器
火花引起爆炸性气体点火，以及保护正在接受ECG、EEG或EMG监护的病人免受电击危
害。ECG的情况比较有意思，因为可能需要进行双向保护：对病人必须采取保护防止意外
电击；但是，如果病人的心脏停止跳动，则在利用除颤器尝试恢复心脏跳动时，必须保护
ECG机，使其免受施加给病人的极高电压(>7.5 kV)影响。下面的图1总结了(模拟和数字)隔
离放大器的各种应用。
Sensor is at a High Potential Relative to Other Circuitry
(or may become so under Fault Conditions)
Sensor May Not Carry Dangerous Voltages, Irrespective
of Faults in Other Circuitry
(e.g. Patient Monitoring and Intrinsically Safe Equipment
for use with Explosive Gases)
To Break Ground Loops
图1：隔离放大器应用
就像电场、磁场或电磁辐射可能导致干扰或无用信息耦合一样，在隔离系统的设计中，可
以利用这些现象来传输所需信息。
最常见的隔离放大器采用变压器，其中利用的是磁场；另一常见类型则采用小型高电压电
容，其中利用的是电场。光隔离器由一个LED和一个光电管构成，通过光(一种电磁辐射)
来提供隔离。不同的隔离器具有不同的性能：有些具有足够的线性度能够跨越隔离栅传输
高精度模拟信号。而在其他隔离器中，则可能需要将信号转换成数字形式，然后再进行传
输，以保持精度不变(请注意，这是一种常见的电压频率转换器应用)。
Rev.0, 10/08, WK
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变压器能够实现12-16位的模拟精度和数百kHz的带宽，但其最大额定电压很少超过10 kV，
而且往往比这要低得多。容性耦合隔离放大器具有较低的精度(最大值可能为12位)、低一
些的带宽和额定电压——但其成本较低。光隔离器速度快、成本低，可以支持极高的额定
电压(较常见的额定值为4 -7 kV)，但其模拟线性度很差，通常不适合精密模拟信号的直接
耦合。
在选择隔离系统时，线性度和隔离电压不是唯一需要考虑的因素。工作功率当然也很重
要。输入和输出电路都需要供电，而且除非隔离栅的隔离端有电池(虽有可能，但并不方
便)，否则必须提供某种形式的隔离电源。对于采用变压器隔离的系统，可以轻松地使用
变压器(信号变压器或其它)来提供隔离电源，但通过容性或光学方式传输有意义的功率量
是不现实的。采用这些隔离形式的系统必须以其它方式获得隔离电源——这是优先选择变
压器隔离型隔离放大器的主要因素：它们几乎无一例外都包含一个隔离电源。
隔离放大器具有一个输入电路，该电路与电源和输出电路存在电隔离。另外，器件的输入
端和其余部分之间电容极小。因此，直流电流和最小交流耦合根本不可能存在。隔离放大
器设计用于应用与需要安全而精确地测量低频电压或电流(最高约为100 kHz)，但存在高共
模电压(数千伏特)且具有高共模抑制特性时它们也适用于在高噪声环境中通过线路接收以
高阻抗形式传输的信号；以及通用测量中的安全保障，其中，直流和线路频率泄漏必须维
持在远远低于某些必要最小值的水平。主要应用为与医疗设备、传统电厂和核电厂、自动
测试设备以及工业过程控制系统相关的电气环境。
AD210 3端口隔离器
在基本的2端口隔离器中，输出和电源电路相互之间并无隔离。下面图2显示的是一个3端
口隔离器(输入、电源、输出)。请注意，该图中输入电路、输出电路和电源相互之间都是
隔离的。该图代表的是一款独立隔离器AD210的电路架构。
这类隔离器要求采用双引脚直流电源供电(PWR、PWR COM)。内部振荡器(50 kHz)将直流
电源转换成交流，再由变压器耦合至屏蔽输入部分，然后转换成直流，以供输入级和辅助
功率输出使用。
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FB
INPUT
–IN
_
+IN
+
T1
OUTPUT
_
DEMOD
FILTER
MOD
+
ICOM
+VISS
–VISS
VO
OCOM
INPUT
POWER
SUPPLY
POWER
T2
T3
OUTPUT
POWER
SUPPLY
+VOSS
–VOSS
POWER
OSCILLATOR
PWR
PWR COM
图2：AD210 3端口隔离放大器
交流载波同样由输入级放大器输出进行调制，再由变压器耦合至输出级，接着由一个相位
敏感解调器解调(以载波为基准)，经过滤波后利用从载波获得的隔离直流电源进行缓冲。
AD210允许用户利用外部电阻和输入部分的运算放大器来选择1至100范围内的增益。其带
宽为20 kHz，隔离电压为2500 V rms(连续)和± 3500 V峰值(连续)。AD210是一款3端口隔离
放大器，因此电源电路同时与输入级和输出级隔离，可以连接至二者之一(或者都不连)，
功能不会发生任何变化。它利用变压器隔离来实现3500 V隔离和12位精度。AD210的主要
规格特性如下图3所示。
Transformer Coupled
High Common Mode Voltage Isolation:
2500V RMS Continuous
±3500V Peak Continuous
Wide Bandwidth: 20kHz (Full Power)
0.012% Maximum Linearity Error
Input Amplifier: Gain 1 to 100
Isolated Input and Output Power Supplies, ±15V, ±5mA
图3：AD210隔离放大器的关键技术规格
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电机控制隔离放大器应用
下面图4所示为一种采用AD210的典型隔离放大器应用。在一个用于电机控制的电流检测
系统中，AD210与一个AD620仪表放大器配合使用。AD210的输入端(已隔离)可以直接连
接至一条110V或230V的电力线，且无需采用保护机制。输入部分的±15 V隔离电源为AD620
供电，AD620则检测电流检测电阻上的小压降。AD210输入级运算放大器连接作为单位增
益跟随器，从而将其误差贡献降至最小。该隔离系统会忽略110 V或230 V rms共模电压。
HIGH VOLAGE
AC INPUT < 2500V RMS
+15V
RG
0.01Ω
AD620
REF
_
INPUT
FB
+
–IN
_
+IN
+
T1
OUTPUT
_
DEMOD
FILTER
MOD
+
OUTPUT
VO
OCOM
ICOM
–15V
+VISS
–VISS
M
RG = 499Ω
FOR G = 100
POWER
T2
INPUT
POWER
SUPPLY
T3
OUTPUT
POWER
SUPPLY
+VOSS
–VOSS
POWER
OSCILLATOR
AD210
PWR
PWR COM
+15V
图4：电机控制电流检测应用
在该系统中，AD620前置放大器用作系统调整控制点，将产生并输出与电机电流成比例的
电压，具体比例取决于检测电阻值以及由AD620的RG设置的增益。AD620还可提高整个系
统的精度，因为AD210 VOS为15 mV，而AD620的该值则为30 µV(漂移也较少)。请注意，如
果可以接受较高的直流失调和漂移，则可省略AD620，并将AD210连接成增益100的方式。
受这类载波供电隔离系统的性质影响，在某些工作环境下，有些残余的交流载波成分会叠
加于恢复的输出直流信号上。发生这种情况时，可以在输出级之后放置一个低阻抗无源
RC滤波器(如果下一级具有高输入阻抗，例如该滤波器无负载)。请注意，许多高输入阻抗
采样ADC都是这种情况，实际上，该ADC表现为一个小电容。150 Ω的电阻和1 nF的电容可
提供约1 kHz的截止频率。另请注意，电容应为薄膜型(如聚丙烯)，以减少误差。
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AD215 2端口隔离器
AD215是一款高速2端口隔离放大器，用于隔离和放大宽带宽模拟信号。它采用创新的电
路和变压器设计，不仅具有宽带动态特性，同时仍保留直流特性。AD215框图如下图5
所示。
图5：AD215 120kHz低失真2端口隔离放大器
AD215在器件的输入端与输出端之间提供完整的电隔离，还包括用户可用的前端隔离双极
性电源。该器件功能设计全面，输出端采用±15 V直流电源供电，无需用户提供隔离式DC/DC
转换器。因此，设计人员可以将电路开销降至最低，从而降低整体系统设计复杂度与器件
成本。
AD215设计注重提供最大的灵活性和易用性，可广泛用于必须在高共模电压(CMV)条件下
测量快速模拟信号的各种应用。
AD215输入/输出范围为±10 V，额定增益范围为1 V/V至10 V/V，缓冲输出具有失调调整功
能，用户可用的隔离前端电源可产生±10 mA电流的±15 V直流电压。下面图6总结了AD215
的主要规格特性。
Isolation voltage: 1500V rms
Full power bandwidth: 120kHz
Slew rate: 6V / µs
Harmonic distortion: –80dB @ 1kHz
0.005% maximum linearity error
Gain range: 1 to 10
Isolated input power supply: ±15V @ ±10mA
图6：AD215隔离放大器的关键技术规格
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参考文献：
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